Скоростные компараторы

Быстродействие универсальных компараторов типа LM111 и LM139 не всегда достаточно. Для цифровых ИМС типа ТТЛШ или ЭСЛ достижимо быстродействие на уровне 1...10 нс, поэтому желательно обеспечить такую ско­рость и для аналогового компаратора.

Быстродействие компараторов, работающих без обратной связи с большими входными токами, можно увеличить за счет совершенствования схемотехники и интегральных структур. Один из основных принципов проектирования:

биполярные транзисторы, входящие в состав компаратора, ни при каких допустимых режимах не должны входить в состояние насыщения. В компараторах этого труднее избежать, чем в ОУ, поскольку:

• на входах компаратора в нормальном режиме работы могут быть большие дифференциальные и синфазные напряжения;

• выходные каскады компараторов представляют собой логические элементы, работающие в ключевом режиме.

Один из путей устранения насыщения транзисторов заключается в шунтировании перехода база—коллектор диодом Шоттки. На рисунке приведены упрощенные схемы транзисторных ключей с указанием разностей потенциалов между выводами в открытом состоянии.

Упрошенные схемы ключей на биполярных транзисторах:

а — без диода Шоттки, б — с диодом Шоттки, шунтирующим переход база-коллектор ключа

Ключ без диода Шоттки а) находится в глубоком насыщении. При его переводе в режим отсечки требуется значительное время на рассасывание избыточных зарядов в базе. Включение диода Шоттки б), имеющего низкое прямое падение напряжения и малое время восстановления, позволяет исключить переход транзистора в режим насыщения. При этом избыточный входной ток ключа i_D ответвляется через диод в цепь коллектора, что устраняет накопление неос­новных носителей в базовой области транзистора происходящее в режиме на­сыщения. Тем самым обеспечивается наименьшее время выхода транзистора из открытого состояния. Применение этого принципа при построении скоростно­го компаратора SE527 (отечественный аналог— 521СА4) позволило снизить время переключения до 15 нc. Диоды Шоттки использованы также в выходном каскаде скоростного компаратора TL714C, имеющего время переключения 6 нc. Дальнейшее повышение быстродействия достигается построением всех каскадов компаратора на дифференциальных парах, которые всегда работают в линейном режиме. Это наиболее удобно в случае, когда компаратор предназначен для работы с ЭСЛ-логикой, основой схемотехники которой также являются дифференциальные пары транзисторов. Примером такого компаратора может служить МАХ9692, типичное время переключения которого составляет 1.2 нс.

Для повышения скорости нарастания выходного напряжения входные кас­кады скоростных компараторов выполняют по схеме, аналогичной схеме ОУ с токовой обратной связью. Именно так построен входной каскад компаратора TL714C.

В заключение перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ:

• несмотря на то что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них почти никогда не используют отрицательную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса — гарантировано) самовозбуждение;

• в связи с тем что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы;

• из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно невелико и может меняться при изменении входных сигналов;

• выходное сопротивление компараторов значительно и различно для разной полярности выходного напряжения.